JP2000282786A - シールド掘進機および掘削方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 地山を一定の大きさで切り出し掘削するため
のシールド掘進機および掘削方法を提供すること。 【解決手段】 地山を一定の大きさで切り出し掘削でき
るよう、ほぼ一定の間隔で先行掘削溝を形成する、進退
可能な先行ビット７０〜７５および進退不可能な先行ビ
ット８０と、先行掘削溝の間の地山を切り出し掘削する
進退可能な後行ビット９０とをカッタヘッド２２に配置
し、ジャッキスピードやカッタヘッド２２の回転数を制
御しながら掘進するシールド掘進機を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールド掘進機お
よび掘削方法に関し、特に、比較的硬質な地盤の掘削に
際して土粒子の骨格構造を地山状態と同様に保持したま
まの状態（以下、固形状態という。）で、掘削土砂を流
体輸送して坑外へ搬出するためのシールド掘進機および
掘削方法に関する。

【０００２】

【背景技術および発明が解決しようとする課題】従来か
ら、硬質地盤の掘削において、先行ビットにより先行掘
削溝を形成して地山に強度的な攪乱を与えた後、先行掘
削溝の両側の地山をメインビットで切削することが行わ
れている。

【０００３】この場合、先行掘削溝はメインビットの切
削ガイドとしての機能が主であったため、形成された先
行掘削溝の形状、寸法や、先行ビットおよびメインビッ
トによる掘削土砂の性状、大きさ等は問題とされていな
かった。

【０００４】したがって、事情が許す限り、先行掘削溝
の形成間隔を小さくし、かつ、隣接する先行掘削溝を同
時に形成することが、地山強度の低下を促進し、掘削を
容易に行う上で効果的であった。

【０００５】しかし、掘削土砂を固形状態で、かつ、シ
ールド掘進機の掘削土砂の搬送設備が閉塞しない大きさ
で掘削することを目的とした場合、所定の間隔および形
状で先行掘削溝を形成し、先行掘削溝の間に掘り残され
た地山凸部を後行ビットで掘り起こし、所定の大きさお
よび形状で切り出して掘削すること（以下、切り出し掘
削という）が重要となる。

【０００６】そこで、本発明では、有効かつ効率的な切
り出し掘削を行うことのできるシールド掘進機および掘
削方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係るシールド掘進機は、切羽に筋状の先行
掘削溝を所定間隔で形成するための複数の先行ビット
と、前記先行掘削溝の間の掘り残された地山凸部を切削
するための後行ビットとを含み、前記先行ビットおよび
前記後行ビットを備えたカッタヘッドの回転により、掘
進経路にある地山を、固形状態で切り出し掘削するシー
ルド掘進機であって、前記先行ビットは、前記カッタヘ
ッドに固設された第１の先行ビット群と、前記カッタヘ
ッドからのビット突出量を進退制御可能に前記カッタヘ
ッドに設けられた第２の先行ビット群とから構成されて
いることを特徴とする。

【０００８】本発明によれば、第２の先行ビット群を掘
進方向に進退させることにより、先行掘削溝の切削溝の
切削深さ、すなわち、掘り残される地山の形成高さを適
宜制御することができる。したがって、切り出し掘削さ
れた固形状態の掘削土砂を所望の大きさでシールド掘進
機に取り込むことができる。

【０００９】この場合、一定の切削深さで先行掘削溝を
形成する第１の先行ビット群と、第２の先行ビット群と
をカッタヘッドの所定位置に配置することが好ましい。

【００１０】これによって、先行掘削溝の切削深さを変
えることができる。したがって、同一切削深さで先行掘
削溝を形成した場合に掘削物が薄片状となることを防止
し、塊状の掘削物として切り出し掘削することができ
る。

【００１１】このような固形状態の掘削土砂を流体輸送
する場合には、比表面積の最も小さな球体が流体への溶
解を防ぐ意味においても望ましいが、実際には球体状で
切り出し掘削することは不可能である。このため、本発
明によって、ほぼ立方体に近い形状で掘削土砂をシール
ド掘進機に取り込み、流体への土粒子分の溶解を極力防
止して、流体輸送および固液分離作業の効率化を図るこ
とができ、有効かつ効率的な切り出し掘削を実現でき
る。

【００１２】また、前記第２の先行ビット群は、前記カ
ッタヘッドの回転に伴って異なる軌跡を描く複数の先行
ビットを有する複数の先行ビットユニットとして構成さ
れることが好ましい。

【００１３】このように、ユニット化することにより、
先行掘削溝の予定形成位置を正確に切削することがで
き、先行ビットの突出量の進退制御装置を含めた先行ビ
ットのカッタヘッドへの設置作業が合理化できる。

【００１４】また、前記カッタヘッドが１回転する間
に、前記第１の先行ビット群と前記第２の先行ビット群
の少なくとも一部が、同一軌跡を描くように前記カッタ
ヘッドに配置されていることが好ましい。

【００１５】これによれば、複数の先行ビットのうちの
一部を、同一軌跡を描くようにカッタヘッドに配置する
ことにより、それぞれの先行ビットがカッタヘッドの回
転に伴って異なる位相角で回転するので、異なる切削深
さで先行掘削溝を形成することになる。すなわち、第１
の先行ビットが形成した第１の先行掘削溝を、第２の先
行ビットがシールド掘進機の掘進した分だけ（同一のビ
ット長であっても）より深く切削した第２の先行掘削溝
を形成する。

【００１６】したがって、掘削地山が硬質の固結土層で
所望の先行掘削溝の切削深さが１回の先行掘削で得られ
ない場合には、カッタヘッドが１回転する間に複数回に
分けて先行掘削を行うことになり、所望の先行掘削溝の
切削深さを確実に得ることができる。

【００１７】また、前記後行ビットは、前記カッタヘッ
ドの回転方向が時計回りの場合に前記地山凸部を切削す
る第１の後行ビット群と、前記カッタヘッドの回転方向
が反時計回りの場合に前記地山凸部を切削する第２の後
行ビット群とから構成されることが好ましい。

【００１８】これによれば、カッタヘッドを通常回転と
は逆の方向に回転させた場合でも、先行掘削溝の間に掘
り残された地山凸部を切り出し掘削することが可能なよ
うに、後行ビットが配置されているので、地山の土質特
性や、トンネル線形や、シールド掘進機の位置または姿
勢状況等に応じてカッタヘッドの回転方向を変更し、適
切な掘削を行うことができる。

【００１９】また、カッタヘッドの回転方向を変更する
ことにより、一方向にのみ回転させる場合と比べてビッ
トの摩耗を低減できる。

【００２０】また、前記後行ビットの少なくとも一部
は、前記地山凸部の複数を同時に切削可能な切削幅を有
することが好ましい。

【００２１】これによれば、切り出し掘削の効率化と、
後行ビットの大型化、設置数量および設置作業時間の低
減化を図ることができる。特に、硬質地盤においては、
切削抵抗が大きくなるため、後行ビットの大型化によっ
て、カッタヘッドでの設置強度やビットの耐摩耗性の向
上を図ることが可能となる。

【００２２】また、本発明に係る掘削方法は、先行ビッ
トを用いて掘削対象の地山に先行掘削溝を形成し、後行
ビットを用いて前記先行掘削溝の間に掘り残された地山
凸部を固形状態の掘削土砂として切り出し掘削し、当該
掘削土砂を、所定の輸送路を介して固形状態を保持しつ
つ坑外へ搬出する掘削方法であって、前記先行ビットの
少なくとも一部を掘進方向に進退可能に駆動制御するこ
とが好ましい。

【００２３】先行ビットのカッタヘッドからの突出量を
制御可能にすることにより、先行掘削溝の切削溝の切削
深さ、すなわち、掘り残される地山の形成高さを適宜制
御することができる。また、３次元的にほぼ一定の大き
さ、すなわち、立方体に近い形状で固形状態として切り
出し掘削することができ、輸送路での閉塞防止、固液分
離等の点で有効な切り出し掘削が行える。

【００２４】また、前記先行ビットおよび前記後行ビッ
トを有するカッタヘッドが１回転する間に、異なる先行
ビットによって所定位置に形成される先行掘削溝を複数
回にわたって切削することが好ましい。

【００２５】これによれば、複数の先行ビットのうちの
一部を、同一軌跡を描くようにカッタヘッドに配置する
ことにより、それぞれの先行ビットがカッタヘッドの回
転に伴って異なる位相角で回転するので、異なる切削深
さで先行掘削溝を形成することになる。

【００２６】すなわち、第１の先行ビットが形成した第
１の先行掘削溝を、第２の先行ビットがシールド掘進機
の掘進した分だけ（同一のビット長であっても）より深
く切削した第２の先行掘削溝を形成する。

【００２７】したがって、掘削地山が硬質の固結土層で
所望の先行掘削溝の切削深さが１回の先行掘削で得られ
ない場合には、カッタヘッドが１回転する間に複数回に
分けて先行掘削を行うことになり、所望の先行掘削溝の
切削深さを確実に得ることができる。

【００２８】また、前記輸送路における輸送媒体として
の液体に、前記掘削土砂が液体に溶解することを防止す
るための溶解防止剤を混入することが好ましい。

【００２９】これによれば、切り出した掘削土砂の輸送
媒体への溶解量を低減させ、固形状態のまま回収するこ
とが可能となり、適切な固液分離ができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるシールド掘進
機を活用した好適な実施の形態について、泥水式シール
ド工法を例にとり、図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００３１】図１は、本発明の実施の形態の一例に係る
泥水式シールド工法の全体図を示す。

【００３２】泥水式シールド工法は、泥水をシールド掘
進機２内部のチャンバ２１０に供給して切羽２００の安
定を図りながら、シールド掘進機２のカッタヘッド２２
を回転させることにより、地山を掘削してトンネルを構
築する工法である。

【００３３】泥水式シールド工法においては、切羽安定
のための泥水を作成し、切羽２００に供給する作泥送泥
設備、泥水性状を調整する性状調整設備、切羽２００を
掘削する掘削設備、切羽２００掘削後の泥水を坑外へ搬
出する輸送設備、掘削後の泥水を適切に処理するための
泥水処理設備および掘削坑内で覆工構造を構築する覆工
構築設備等が用いられる。

【００３４】掘削設備として機能するシールド掘進機２
は、掘進に伴ってセグメント２６を順次継ぎ足し、セグ
メント２６にジャッキ２８で反力を取りながら、チャン
バ２１０に供給された泥水圧によって切羽圧に対抗しつ
つ、カッタヘッド２２を回転させて地山を掘削する。

【００３５】シールド掘進機２内部のチャンバ２１０に
供給される泥水は、地上の作泥設備または泥水処理設備
から送泥設備の一部である送泥管５０を介して送られる
ものであり、切羽２００の安定に用いられた泥水は、チ
ャンバ２１０内で掘削土砂と撹拌混合され、輸送設備の
一部である排泥管５２を介して地上の泥水処理設備に送
られる。

【００３６】なお、ここで、輸送設備とは、カッタヘッ
ド２２から取り込まれた掘削土砂を坑外へ搬出する設備
全体を意味し、具体的には、例えば、チャンバ２１０、
流体輸送管として機能する排泥管５２、圧送ポンプとし
て機能する排泥ポンプ１０２、沈殿槽、固液分離装置等
を含む。

【００３７】泥水処理設備では、排泥水に含まれる掘削
土砂等の固形分と液体分とが分離（固液分離）され、分
離後の液体分は、調整槽で必要な成分調整が行われた
後、再度シールド掘進機２へ向け送り出され、送泥水と
して再利用される。

【００３８】また、チャンバ２１０に送られる泥水は、
トンネル内の性状調整設備等により必要な性状調整がさ
れる。具体的には、トンネル内の性状調整設備は、調泥
剤タンク４０と、送泥管５０に設けられ、調泥剤タンク
４０から供給された調泥剤と泥水とを混合撹拌するスタ
ティックミキサー４４と、この混合撹拌後の泥水性状を
測定する粘性計４６とを含んで構成されている。

【００３９】必要に応じて調泥剤タンク４０から所定の
調泥剤が添加され、スタティックミキサー４４により撹
拌混合された送泥水は、粘性計４６により粘性が測定さ
れ、チャンバ２１０に供給される。

【００４０】粘性計４６による測定結果は、制御装置４
８に送られ、制御装置４８は、この測定結果に基づき調
泥剤の添加を調整する。

【００４１】一方、チャンバ２１０から泥水処理設備へ
向け送り返される排泥水は、排泥管５２に設けられた排
泥ポンプ１０２によって圧送される。

【００４２】図２は、排泥ポンプ１０２の断面図を示
す。

【００４３】排泥ポンプ１０２は、内部に回転する複数
の羽根体１００−１、２を含む。したがって、掘削物１
１０、すなわち、掘削後の土砂の大きさが羽根体１００
相互の純間隔Ｌを超える場合、掘削物１１０により排泥
ポンプ１０２や排泥管５２が閉塞し、輸送設備として機
能しない恐れがある。

【００４４】この問題に対して、従来は、排泥ポンプ１
０２等の輸送設備が閉塞しないよう、クラッシャー等を
新たに設けて掘削物１１０を破砕する方式が採られる場
合もあった。しかし、この方式では破砕された掘削物１
１０が、排泥水中に溶解しやすくなるため、泥水処理設
備での分級処理効率が悪くなっていた。

【００４５】排泥水への掘削物溶解が多くなると、泥水
処理設備において、１次処理で分級される固形分の量が
少なくなり、それに伴って２次処理で分級しなければな
らない処理量が多くなる。２次処理量が多くなると、２
次処理設備が大規模化し、そのために必要とされる立坑
用地の面積も大きくなる。

【００４６】それゆえ、１次処理での分級量を増加させ
れば、２次処理を効率化し、必要な立坑用地を省面積化
することができる。

【００４７】また、２次処理土は、水分を含む軟弱土で
あるため、産業廃棄物（汚泥）として取り扱われるの
で、その処分に関しても多大な労力と費用が必要とな
る。

【００４８】すなわち、立坑用地を省面積化し、環境へ
の負荷を軽減し、処理費用を抑えるためには、掘削物１
１０をできるだけ１次処理で分級することが必要であ
る。

【００４９】したがって、掘削物１１０を排泥ポンプ１
０２に詰まらない最大の大きさで掘削し、そのままの固
体の状態で坑外へ搬出することによって、掘削土砂を含
む排泥水の処理が効率化でき、環境負荷およびコストを
低減することになる。

【００５０】本実施の形態では、掘削物１１０を排泥ポ
ンプ１０２等の輸送設備が閉塞しない最大の大きさで切
り出し掘削するよう、先行ビットおよび後行ビットを、
シールド掘進機２のカッタヘッド２２に配置し、先行ビ
ットと後行ビットとの相互作用により、上記課題を解決
している。

【００５１】なお、図２に示す排泥ポンプ１０２内の羽
根体１００は２枚の構成となっているが、３枚以上の構
成としたり、１枚であっても図２に示す羽根体と同様の
形状とする構成とすることも可能である。

【００５２】図３は、シールド掘進機２のカッタヘッド
２２の正面図を示す。

【００５３】シールド掘進機２のカッタヘッド２２に
は、切羽２００に所定間隔で筋状の先行掘削溝を形成す
る先行ビット７０〜８０と、この先行掘削溝の間に掘り
残された部分の地山を、固形状態で切り出し掘削する後
行ビット９０が配置されている。

【００５４】なお、ここで、固形状態とは、掘削に際し
て土粒子の骨格構造を地山状態と同様に保持したままの
状態を意味する。また、切り出し掘削とは、先行掘削溝
間の掘り残された地山凸部を、固形状態でほぼ一定の大
きさ以下に切削することを意味する。

【００５５】先行ビット７０〜８０および後行ビット９
０は、地山をほぼ一定の大きさで切り出し掘削するよ
う、カッタヘッド２２の回転に伴って生じる位相差を考
慮した上で、カッタヘッド２２に配置されている。

【００５６】例えば、図３に示す２点鎖線は、各先行ビ
ット７０〜８０の軌跡であり、各先行ビット７０〜８０
の各軌跡がほぼ等間隔になるよう、先行ビット７０〜８
０がカッタヘッド２２に配置され、各軌跡の間、すなわ
ち、先行ビット７０〜８０で掘削されなかった地山を掘
削するよう後行ビット９０がカッタヘッド２２に配置さ
れている。

【００５７】具体的には、先行ビット７４、７５で掘削
されなかった地山を、後行ビット９０−１、２で掘削す
る。同様に、先行ビット７０、７１に対しては、後行ビ
ット９０−３、４が対応し、先行ビット７２、７３に対
しては、後行ビット９０−５、６が対応する。その他の
先行ビット７０〜８０と、後行ビット９０との対応につ
いても同様である。なお、実際の掘削動作については後
述する。

【００５８】本実施の形態によれば、先行掘削溝相互の
間隔および切削深さを、例えば図２に示す羽根体１００
相互の純間隔Ｌと同程度にすることにより、カッタヘッ
ド２２の回転により当該部分を掘削した場合、固形状態
の掘削土砂の大きさをほぼＬの大きさに揃えることがで
きる。

【００５９】これにより、掘削物１１０の大きさを排泥
ポンプ１０２等の輸送設備につまらない最大の大きさと
することができ、クラッシャー等の土石破砕設備を不要
とし、できるだけ大きな大きさで排泥することができ
る。

【００６０】また、先行ビット７０〜８０は、第１の先
行ビット群と第２の先行ビット群から構成されている。
ここで、第１の先行ビット群としては、カッタヘッド２
２に固設された先行ビット８０が該当し、第２のビット
群としてはカッタヘッド２２からのビット突出量を進退
制御可能にカッタヘッド２２に設けられた先行ビット７
０〜７５が該当する。

【００６１】これによれば、第２の先行ビット群として
の先行ビット７０〜７５を掘進方向に進退させることに
より、先行掘削溝の切削溝の切削深さおよび切り出し掘
削深さを適宜制御することができる。したがって、切り
出し掘削された固形状態の掘削土砂を所望の大きさでシ
ールド掘進機２に取り込むことができる。

【００６２】このような固形状態の掘削土砂を流体輸送
する場合には、比表面積の最も小さな球体が流体への溶
解を防ぐ意味においても望ましいが、実際には球体状で
切り出し掘削することは不可能である。このため、本実
施の形態によって、ほぼ立方体に近い形状で掘削土砂を
シールド掘進機２に取り込み、流体への土粒子分の溶解
を極力防止して、流体輸送および固液分離作業の効率化
を図ることができ、有効かつ効率的な切り出し掘削を実
現できる。

【００６３】また、第２の先行ビット群としての先行ビ
ット７０〜７５は、カッタヘッド２２の回転に伴って異
なる軌跡を描く複数の先行ビット７０〜７５を有する複
数の先行ビットユニット６０−１〜３として構成されて
いる。

【００６４】このように、ユニット化することにより、
先行掘削溝の予定形成位置を正確に切削することがで
き、先行ビット７０〜７５の突出量の進退制御装置を含
めた先行ビット７０〜７５のカッタヘッド２２への設置
作業が合理化できる。

【００６５】なお、後行ビット９０として機能させるも
のとしては、通常のシールド掘進機におけるメインビッ
ト等を利用できる。

【００６６】また、後行ビット９０よりも大きな切削幅
を有し、前記地山凸部の複数を同時に切削可能な切削幅
を有する後行ビット９１もカッタヘッド２２の最外周部
に配置されている。

【００６７】これによれば、切り出し掘削の効率化と、
後行ビット９０、９１の大型化、設置数量および設置作
業時間の低減化を図ることができる。特に、硬質地盤に
おいては、切削抵抗が大きくなるため、後行ビット９
０、９１の大型化によって、カッタヘッド２２での設置
強度やビットの耐摩耗性の向上を図ることが可能とな
る。

【００６８】また、地山の特性やシールド掘進機２の大
きさに応じて先行ビット７０〜８０および後行ビット９
０、９１の配置を調整することにより、各地山に最適な
掘削を行うことができる。なお、ここで、ビットの配置
とは、カッタヘッド２２上における単なる平面的な位置
だけでなく、先行ビット７０〜８０および後行ビット９
０、９１の切削角度の調整も含む。

【００６９】また、本実施の形態によれば、先行ビット
７０〜８０により地山を筋状に掘削し、先行ビット７０
〜８０で掘削されなかった部分を後行ビット９０、９１
により切り出し掘削することができる。これにより、先
行ビット７０〜８０と後行ビット９０、９１を異なる役
割とし、効率的に掘削することができる。

【００７０】また、各先行ビット７０〜８０によって形
成される先行掘削溝の切削幅および切削深さについて
も、純間隔Ｌを超えない大きさとすることにより、排泥
ポンプ１０２等の輸送設備が閉塞しないできるだけ大き
い寸法で切羽２００の切削が行われる。

【００７１】すなわち、先行ビット７０〜８０により所
定間隔で切羽２００に筋状の先行掘削溝を形成する。こ
れにより、切羽２００に凹凸が形成されて掘削自由面が
多くなり、後行ビット９０、９１による掘削効率を高め
ることができる。

【００７２】そして、先行掘削溝の間に残された地山の
凸部を後行ビット９０、９１で掘り起こし、土砂の骨格
構造を地山状態と同様に保持しながら排泥ポンプ１０２
等の輸送設備が閉塞しない大きさの土塊として切り出し
掘削する。

【００７３】この場合、カッタヘッド２２の回転によっ
て先行掘削溝の形成と固形状態での切り出し掘削が行わ
れるため、シールド掘進機２の掘進速度やカッタヘッド
２２の回転速度を考慮して先行ビット７０〜８０および
後行ビット９０、９１をカッタヘッド２２に配置するこ
とが重要となる。なぜなら、それぞれのビット７０〜８
０、９０、９１の配置位置により、カッタヘッド２２の
回転に伴う位相角が異なるため、配置位置の相違が掘削
地山への切削深さの相違となって表れるからである。

【００７４】したがって、最も単純な先行ビット７０〜
８０と後行ビット９０、９１の組み合わせとしては、一
対の先行ビットＭによって形成された先行掘削溝の間の
地山を切り出し掘削する後行ビットＮは、前記一対の先
行ビットＭに対して、できるだけ位相角が遅れないよう
に配置することが好ましい。

【００７５】例えば、図３において、カッタヘッド２２
が反時計回り（図３の矢印方向）に回転する場合には、
先行ビット７０、７１および後行ビット９０−３、４を
図３に示すように配置すれば先行掘削溝が形成された直
後に、当該先行掘削溝の間の地山が切り出し掘削される
ことになる。

【００７６】このように、先行ビット７０〜８０による
先行掘削溝の形成と後行ビット９０、９１による切り出
し掘削との時間差を小さくすることにより、地山と同等
の骨格構造を保持した状態での切り出し掘削が可能とな
る。

【００７７】このため、先行ビット７０〜８０と、この
先行ビット７０〜８０に対応する後行ビット９０、９１
は、位相角のずれが９０度以内となるようカッタヘッド
２２に配置することが好ましい。

【００７８】また、上述したように、本実施の形態で
は、掘削物１１０を一定の大きさに揃えることができる
よう、先行ビット７０〜７５が掘進方向に進退可能であ
ることに加え、後行ビット９０、９１も進退可能な構成
を採用している。

【００７９】さらに、本願発明では、大口径のシールド
トンネルにおいても、固形状態での切り出し掘削を効率
的に行えるように、先行ビット７０〜８０および後行ビ
ット９０の少なくとも一部が、カッタヘッド２２の回転
に伴って同一の軌跡を描くように配置されている。

【００８０】すなわち、例えば、図３において、カッタ
ヘッド２２の最も外方には進退可能な先行ビット７２、
７３が配置されると共に、先行ビット７２、７３と同一
軌跡を描くように位相角をずらしてカッタヘッド２２の
中心から同一半径の位置に先行ビット８０−１〜８がカ
ッタヘッド２２に固設されている。

【００８１】また、先行ビット８０−１、８０−２、８
０−５、８０−６によって形成される先行掘削溝の間に
掘り残された地山凸部を切削するために、後行ビット９
０−６、９０−８が同一軌跡を描くように配置されてい
る。

【００８２】なお、カッタヘッド２２が回転する方向
は、反時計回りだけでなく時計回り（図３に示す矢印と
反対方向）にも回転駆動される。すなわち、カッタヘッ
ド２２は正逆両方向に回転駆動され、これに合わせて正
転用の後行ビットと逆転用の後行ビットがカッタヘッド
２２には配置されている。

【００８３】すなわち、後行ビット９０、９１は、カッ
タヘッド２２の回転方向が時計回りの場合に前記地山凸
部を切削する第１の後行ビット群と、カッタヘッド２２
の回転方向が反時計回りの場合に前記地山凸部を切削す
る第２の後行ビット群とから構成される。

【００８４】具体的には、例えば、第１の後行ビット群
としては、図３に示す後行ビット９０−２、９１−２等
が該当し、第２の後行ビット群としては、後行ビット９
０−１、９１−１等が該当する。

【００８５】これによれば、カッタヘッド２２を通常回
転とは逆の方向に回転させた場合でも、先行掘削溝の間
に掘り残された地山凸部を切り出し掘削することが可能
なように、後行ビットが配置されているので、地山の土
質特性や、トンネル線形や、シールド掘進機の位置また
は姿勢状況等に応じてカッタヘッド２２の回転方向を変
更し、適切な掘削を行うことができる。

【００８６】また、カッタヘッド２２の回転方向を変更
することにより、一方向にのみ回転させる場合と比べて
ビットの摩耗を低減できる。

【００８７】なお、先行ビット７０〜８０は、正転逆転
両用の先行ビットとして構成されている。

【００８８】また、進退可能な先行ビット７０、７１お
よび７４、７５に対しても同一の軌跡を描くように他の
先行ビット８０がカッタヘッド２２に固設されている。

【００８９】このようなビット配置とすることにより、
それぞれの先行ビット７０〜８０がカッタヘッド２２の
回転に伴って異なる位相角で回転するので、異なる切削
深さで先行掘削溝を形成することになる。すなわち、第
１の先行ビットが形成した第１の先行掘削溝を、第２の
先行ビットがシールド掘進機の掘進した分だけ（同一の
ビット長であっても）より深く切削した第２の先行掘削
溝を形成する。

【００９０】したがって、掘削地山が硬質の固結土層で
所望の先行掘削溝の切削深さが１回の先行掘削で得られ
ない場合には、カッタヘッドが１回転する間に複数回に
分けて先行掘削を行うことになり、所望の先行掘削溝の
切削深さを確実に得ることができる。

【００９１】また、後行ビット９０の少なくとも一部
が、カッタヘッド２２の回転に伴ってほぼ同一の軌跡を
描くように、カッタヘッド２２に配置されているため、
後行ビット９０の配置に応じた位相角の相違によって、
第１の後行ビットと第２の後行ビットの切り出し掘削深
さが異なるため、カッタヘッド２２が１回転する間に複
数回の切り出し掘削を行うことができる。

【００９２】したがって、先行掘削溝を深めに（輸送設
備が閉塞しない程度の大きさより深く切削）形成した場
合でも、当該先行掘削溝の間を、複数の後行ビット９０
で複数回に分けて切り出し掘削し、所望の大きさの固形
状態の掘削土砂としてシールド掘進機２に取り込むこと
ができる。

【００９３】さらに、カッタヘッド２２が１回転する間
に、先行掘削溝の形成と、切り出し掘削とを交互に行う
ことにより、掘削効率が著しく向上し、トンネル構築の
工期も一層の短縮が図れる。

【００９４】また、上述したように、カッタヘッド２２
は、順逆両方向に回転駆動が可能なため、正方向のビッ
トが摩耗したとしても逆方向に回転させることにより、
ビットの交換を行うことなく掘進を継続できる。したが
って、同一方向にのみカッタヘッド２２を回転する場合
と比べてビットの摩耗を低減できる。

【００９５】図４は、図１に示すシールド掘進機２の側
面断面を示すもので、図３に示す進退可能な３組の先行
ビットユニット６０−１〜３および進退可能な後行ビッ
ト９０−９を含むシールド掘進機２のＡ−Ａ線断面に沿
って説明した図である。

【００９６】シールド掘進機２は、必要に応じて先行ビ
ットユニット６０−１〜３による先行掘削溝の切削深さ
を調整できるように、掘進経路方向に対して先行ビット
７０〜７５を相対的に前後に進退させるための先行ビッ
ト駆動装置として、ジャッキ６２−１〜３を含む。

【００９７】また、シールド掘進機２は、切り出し掘削
された固形状態の掘削土砂の大きさを調整できるよう
に、後行ビット９０の先端を、掘進経路方向に対して前
後に進退させるための後行ビット駆動装置を含む。この
後行ビット駆動装置としては、複数のジャッキ６３が設
けられ、複数の後行ビット９０−１、９０−２等を備え
たスポーク２３を掘進方向に進退できるよう、ジャッキ
６３を駆動させる（図５（Ａ）参照）。なお、この駆動
は制御装置４８により制御される。

【００９８】本実施の形態によれば、上記の駆動装置に
より、各先行ビット７０〜７５および後行ビット９０の
切削深さを調整することが可能となるため、掘削中に土
質が変化する場合であっても、掘削土砂を所望の大きさ
で切り出し掘削することができる。

【００９９】特に、このような調整を行うことにより、
３次元的にほぼ一定の大きさ、すなわち、立方体に近い
形状で固形状態として切り出し掘削することも可能とな
る。

【０１００】このような固形状態の掘削土砂を流体輸送
する場合には、比表面積の最も小さな球体が流体への溶
解を防ぐ意味においても望ましいが、実際には球体状で
切り出し掘削することは不可能である。このため、本実
施の形態により、ほぼ立方体に近い形状で掘削物１１０
をシールド掘進機２に取り込み、流体である排泥水への
土粒子分の溶解を極力防止して、排泥および固液分離作
業の効率化を図ることが望ましい。

【０１０１】また、先行ビット７０〜８０および後行ビ
ット９０の一部または全部を掘進方向に進退可能とする
構成を採用することにより、切り出し掘削される掘削物
１１０の大きさを制御することも可能となる。

【０１０２】すなわち、先行ビット７０〜８０および後
行ビット９０を進退させない構成を採用した場合、ビッ
トの切削深さや切削幅に応じて掘削物１１０の大きさに
もばらつきが生じる。この場合、掘削物１１０が排泥水
と接触する面積が大きくなって、排泥水中への掘削物１
１０の溶解量も多くなってしまう。

【０１０３】また、後行ビット９０の個数は変更せずに
後行ビット９０の切削深さを大きくしてしまうと、カッ
タヘッド２２を回転させるためのカッタトルクも大きく
する必要がある。

【０１０４】本実施の形態によれば、後行ビット９０を
進退させることにより、掘削物１１０を、適切な大きさ
の固形状態のまま排泥することができるため、排泥水中
への掘削物１１０の溶解量を低減させることができる。

【０１０５】また、一般に、シールド掘進機２を用いた
トンネル掘削においては、掘削地山の特性に応じて掘進
速度やカッタヘッド２２の回転速度を適切に選択、変更
しながら掘削を行う。したがって、地山の土層が変化す
る場合には、先行掘削溝の切削深さや後行ビット９０に
よる切り出し掘削深さについても適宜変更することが好
ましい。

【０１０６】そこで、本実施の形態では、掘進速度やカ
ッタヘッド２２の回転速度に応じて先行ビット７０〜７
５および後行ビット９０のカッタヘッド２２からの突出
量を適切に制御して、土層が変化した場合でも、固形状
態を保持しつつ掘削土砂をほぼ一定の大きさで切り出し
掘削できるような構成を採用している。

【０１０７】なお、これら先行ビット７０〜８０、後行
ビット９０等の設けられたカッタヘッド２２は、シール
ド掘進機２内のモーター３０により回転される。

【０１０８】次に、後行ビット９０の進退機構について
説明する。

【０１０９】図５は、後行ビット９０の進退機構の概略
断面図であり、図５（Ａ）は複数の後行ビット９０の取
り付けられたスポーク２３全体が掘進方向へ前進した状
態の側面断面図を示し、図３のＢ−Ｂ線断面図を示す。

【０１１０】また、図５（Ｂ）は単一のジャッキ６３が
伸展した状態の平面断面図を示し、シールド掘進機２の
外周部からシールド掘進機２の中心部を見たときの図５
（Ａ）のＣ部分の拡大図である。

【０１１１】図５（Ａ）に示すように、複数の後行ビッ
ト９０の取り付けられたスポーク２３は、複数のジャッ
キ６３によって進退できるようになっている。複数のジ
ャッキ６３を適用することにより、掘削する地山が硬質
地盤であっても、スポーク２３全体を前進させるための
推進力を十分に確保することができる。

【０１１２】また、図５（Ｂ）に示すように、スポーク
２３に取り付けられた複数の後行ビット９０は、ジャッ
キ６３によって進退可能に形成されている。また、ジャ
ッキ６３は、ケーシング６４に固定された台座６６に設
けられたピン６７を回転軸および支持部として、反力の
かかる方向、すなわち、カッタヘッド２２の回転方向の
順逆両方向に揺動可能に形成されている。

【０１１３】カッタヘッド２２が回転すると、スポーク
２３およびスポーク２３上の後行ビット９０は、ピン６
７を支点として回転の逆方向に揺動する。揺動したスポ
ーク２３は、カッタヘッド２２と一体的に形成されたケ
ーシング６４とぶつかることによりその揺動量が制限さ
れる。

【０１１４】すなわち、スポーク２３およびスポーク２
３上の後行ビット９０は、反力受けとして機能するケー
シング６４によって掘削時の回転順方向に対する反力を
受けることができる。また、ジャッキ６３を切羽２００
方向に進行させた場合も、スポーク２３とケーシング６
４がぶつかることによって反力を受け、安定して掘削す
ることができる。

【０１１５】また、支持部および回転軸として機能する
ピン６７を設けることにより、掘削時に後行ビット９０
が最適な姿勢となり、適切な掘削を行うことができる。
なお、前記支持部としては、ジャッキ６３を反力方向に
対して前後にスライド可能に支持する構成等を適用する
ことも可能である。

【０１１６】なお、図４に示すように、後行ビット９０
だけでなく、進退する先行ビット７０〜７５についても
同様に反力受けとして機能するケーシング６４−１〜３
が設けられている。これにより、先行ビット７０〜７５
についても後行ビット９０と同様に反力受け等の作用に
より、進退させた場合でも安定して掘削を行うことがで
きる。

【０１１７】次に、先行ビット７０〜８０と後行ビット
９０を用いた掘削の手順について説明する。

【０１１８】図６は、先行ビット７４、７５と後行ビッ
ト９０の相互作用による地山の掘削状態を平面的に示す
概略図であり、図６（Ａ）〜（Ｃ）は先行ビット７４、
７５と後行ビット９０−１による地山の掘削状態を示
す。

【０１１９】上述したように、先行ビット７４、７５に
より形成された先行掘削溝の間の地山を、後行ビット９
０−１で切り出し掘削するよう、先行ビット７４、７５
および後行ビット９０−１はカッタヘッド２２に配置さ
れている。

【０１２０】まず、初期状態では、図６（Ａ）に示すよ
うに掘削予定部分の地山３００の掘削面４１０は平坦な
状態である。

【０１２１】シールド掘進機２は矢印の方向に掘進す
る。シールド掘進機２が掘進すると、図６（Ａ）の状態
から図６（Ｂ）に示す状態になる。この状態では、先行
ビット７４、７５が後行ビット９０−１に先行して掘削
予定部分の地山３００を筋状に掘削することにより、地
山３００の掘削面に先行掘削溝３１０−１、２が形成さ
れる。

【０１２２】先行掘削溝３１０−１、２は、その深さ、
すなわち、切削深さＬ２がほぼＬ、先行掘削溝３１０−
１、２間の間隔Ｌ１もほぼＬになっている。ここで、Ｌ
は、上述した図２で示す排泥ポンプ１０２を閉塞させな
い最大の大きさである。

【０１２３】また、先行掘削溝３１０−１、２の溝幅、
すなわち、切削幅Ｌ３もＬ以下になっている。これによ
り、先行掘削により生じる掘削物もＬ以下の大きさとな
り、当該掘削物も輸送設備を閉塞させずに坑外へ搬出で
きる。

【０１２４】図６（Ｂ）に示す状態では、掘削予定部分
の地山３００のうち先行掘削溝３１０−１、２の間に突
出長および突出幅がＬ以下の帯状凸部が地山として掘り
残された状態となっている。

【０１２５】この状態で、掘り残された帯状凸部の一部
を切り出し掘削することにより、掘削物１１０が地山３
００から切り出され、図６（Ｃ）に示す状態となる。

【０１２６】なお、図６、図７に関する上記説明は、一
組の先行ビット７４、７５および後行ビット９０−１の
みの作動について記述したものであるが。本願発明で
は、図３に示すように、複数組の先行ビット７０〜８０
によって、図６における先行掘削溝３１０−１、３１０
−２に隣接して複数の先行掘削溝を形成することが好ま
しい。そして、それらの先行掘削溝群の間に掘り残され
た地山凸部を複数の後行ビット９０が切り出し掘削でき
るように構成されている。

【０１２７】さらに、上述したように、先行ビット７０
〜８０および後行ビット９０の少なくとも一部を、カッ
タヘッド２２の回転中心から同一半径の位置に位相角を
変えて複数のビットＰを配置する構成とすることもでき
る。

【０１２８】このような構成とすることにより、地山３
００のある特定位置Ｑ点に着目すると、カッタヘッド２
２が一回転する間に、Ｑ点においては複数回の地山切削
が行われることになる。すなわち、位相角のずれ量に対
応してシールド掘進機２は切羽側へ掘進するため、前記
複数のビットＰのカッタヘッド２２からの突出量が同じ
であっても、シールド掘進機２の掘進距離分だけ地山３
００への切り込み深さを大きくすることができる。

【０１２９】したがって、円形断面のシールドトンネル
であれば、トンネル中心からの距離が大きくなるほど、
カッタヘッド２２の周速度が大きくなり、切削距離も大
きくなることから、外縁部（円形断面の外周部近く）に
前記複数のビットＰを配置することにより、ビットの摩
耗防止を図ることができる。

【０１３０】このように、カッタヘッド２２が１回転す
る間に、ほぼ同位置の地山３００に対して先行掘削溝を
形成する工程と、固形状態での切り出し掘削を行う工程
とを少なくとも一回交互に行うことにより、地山３００
の特徴に応じた効率的な掘削が可能となり、トンネル工
期を著しく短縮することが可能になる。

【０１３１】また、シールド掘進機２の掘進速度やカッ
タヘッド２２の回転速度に応じて先行ビット７０〜７５
および後行ビット９０のカッタヘッド２２への配置（カ
ッタビットの切削角度を含めて）を適宜選択することに
より、切り出し掘削された掘削物１１０の大きさをある
程度制御することが可能になる。

【０１３２】さらに、本発明においては、先行ビット７
０〜７５および後行ビット９０を掘進方向に進退可能に
構成することにより、掘削物１１０を好ましい形状、寸
法として切り出し掘削することができる。

【０１３３】すなわち、本実施の形態に係るシールド掘
進機２は、図１に示すように、掘削物１１０を坑外へ搬
出するための搬出経路（輸送路）に掘削物１１０の大き
さを測定するための掘削物測定手段としての固形物測定
装置１２０を備えている。この掘削物測定装置１２０
は、例えば、特開平９−１５９６２３号公報に記載され
た電波による固体測定装置などを用いることができる。

【０１３４】このような測定装置を用いることによって
得られる計測値（掘削物１１０の大きさなど）は、図１
に示す制御装置４８にリアルタイムで伝送される。

【０１３５】制御装置４８は、掘削物１１０の大きさの
計測値と、そのときの先行ビット７０〜７５および後行
ビット９０のカッタヘッド２２からの突出長さと、シー
ルド掘進機２の掘進速度（ジャッキスピード）並びにカ
ッタヘッド２２の回転速度とを考慮して、先行ビット７
０〜７５および後行ビット９０の進退を制御する機能も
有している。

【０１３６】なお、先行ビット７０〜７５および後行ビ
ット９０の突出量をリアルタイムで制御するためには、
土砂取り込み後、できるだけ早い時点で掘削土砂の大き
さを測定することが好ましい。このため、掘削物測定装
置１２０は、チャンバ２１０内または排泥管５２の最も
切羽付近に設けることが好ましい。

【０１３７】本実施の形態では、図１に示すように、チ
ャンバ２１０に近い位置の排泥管５２に設けている。こ
れにより、リアルタイムな制御が可能となっている。

【０１３８】また、これによれば、輸送設備の経路内で
切り出し掘削された固形状態の掘削土砂の大きさを測定
することにより、排泥ポンプ１０２等の輸送設備が閉塞
する可能性を予測することができ、さらに、測定結果を
フィードバックして先行ビット７０〜８０および後行ビ
ット９０のカッタヘッド２２からの突出量を制御するこ
とができる。これにより、掘削物１１０の大きさを所定
値以下で切り出し掘削することが可能となる。

【０１３９】また、本実施の形態では、掘削物１１０を
切り出したままの固形状態で搬出するため、図１に示す
ように、溶解防止剤タンク４２から供給された溶解防止
剤が、必要に応じて排泥管５２内の掘削物１１０を含む
輸送媒体としての排泥水に混入されるようになってい
る。

【０１４０】これによれば、固形状態で切り出し掘削さ
れた掘削物１１０が、泥水中に熔解することなく、その
ままの状態で坑外へ搬出されるので、固液分離のための
処理作業等をさらに効率化でき、産業廃棄物として処理
すべき汚泥の発生量をさらに低減することができる。

【０１４１】以上説明してきたように、本実施の形態に
よれば、排泥ポンプ１０２等の輸送設備が閉塞しないで
きるだけ大きい寸法で、しかも、できるだけ立方体に近
い形状の固形状態で掘削物１１０を切り出し掘削して排
泥することにより、掘削土砂を固形状態の塊として１次
処理で分級することができる。

【０１４２】これにより、２次処理設備を含む立坑用地
を省面積化し、環境への影響や処理費用を抑えることが
できる。

【０１４３】図７は、本願出願人による掘進距離と固形
回収率との関係を求めた実験結果の一例を示すグラフで
ある。

【０１４４】図７に示すように、掘進の初期および終期
において、多少回収率が落ちているものの、掘進中期
（掘進距離１００ｍ〜３００ｍ）においては、固形状態
での回収率が６０％強〜９０％弱と、良好な固形回収が
行えている。

【０１４５】なお、上述した実施例では、先行ビット７
０〜７５は複数対になっているが、少なくとも一対あれ
ばよい。上述したように、先行ビット７０〜７５を複数
対設け、カッタヘッド２２が１回転する間に筋切先行掘
削溝の形成工程および切り出し掘削工程を複数回繰り返
すことにより、大口径のシールド掘進機２に対しても、
地山３００を所定の大きさの固形状態のまま、効率的に
切り出し掘削することが可能となっている。

【０１４６】なお、本発明の適用は、前記泥水式シール
ド工法に限定されない。例えば、地中連続壁工法やリバ
ース工法等における泥水処理にも適用できる。

【０１４７】また、カッタヘッドとしては、上述した円
盤状のカッタヘッド２２だけでなく、矩形断面シールド
掘進機に用いられるドラムカッタ等を適用することも可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例に係る泥水式シール
ド工法の全体図である。

【図２】図１に示す排泥ポンプの平面断面図である。

【図３】図１に示すシールド掘進機のカッタヘッドの正
面図である。

【図４】図１に示すシールド掘進機側面の概略断面図で
ある。

【図５】本実施の形態の一例に係る後行ビットの進退機
構の概略断面図であり、（Ａ）は複数の後行ビットの取
り付けられたスポーク全体が進行した状態の側面断面図
を示す図であり、（Ｂ）は単一のジャッキが進行した状
態の平面断面図を示す図である。

【図６】先行ビットと後行ビットの進退による地山の掘
削状態を平面的に示す概略図であり、（Ａ）〜（Ｃ）は
先行ビットと後行ビットによる地山の掘削状態を示す図
である。

【図７】本願出願人による掘進距離と固形回収率との関
係を求めた実験結果の一例を示すグラフである。

【符号の説明】

２ シールド掘進機 ２２ カッタヘッド ２３ スポーク ２６ セグメント ２８、６２、６３ ジャッキ ３０ モーター ４０ 調泥剤タンク ４２ 溶解防止剤タンク ４４ スタティックミキサー ４６ 粘性計 ４８ 制御装置 ５０ 送泥管 ５２ 排泥管 ６０ 先行ビットユニット ６４ ケーシング ６６ 台座 ６７ ピン ７０〜８０ 先行ビット ９０ 後行ビット １００ 羽根体 １０２ 排泥ポンプ １１０ 掘削物 １２０ 掘削物測定装置 ２００ 切羽 ２１０ チャンバ ３００ 掘削予定部分の地山 ３１０ 先行掘削溝 ４１０、４２０ 掘削面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安本 匡剛 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 中村 幸之助 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 岩井 義雄 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 浅井 康彦 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 清水 義治 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 吉田 英 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 鈴木 俊夫 東京都千代田区大手町２丁目２番１号 石 川島播磨重工業株式会社内 (72)発明者 佐久間 裕治 東京都千代田区大手町２丁目２番１号 石 川島播磨重工業株式会社内 Ｆターム(参考） 2D054 AB05 AC05 BA04 BA23 BB04 CA03 DA12 DA33 DA35 GA58 GA67 GA81

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 切羽に筋状の先行掘削溝を所定間隔で形
   成するための複数の先行ビットと、前記先行掘削溝の間
   の掘り残された地山凸部を切削するための後行ビットと
   を含み、前記先行ビットおよび前記後行ビットを備えた
   カッタヘッドの回転により、掘進経路にある地山を、固
   形状態で切り出し掘削するシールド掘進機であって、 前記先行ビットは、前記カッタヘッドに固設された第１
   の先行ビット群と、前記カッタヘッドからのビット突出
   量を進退制御可能に前記カッタヘッドに設けられた第２
   の先行ビット群とから構成されていることを特徴とする
   シールド掘進機。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記第２の先行ビット群は、前記カッタヘッドの回転に
   伴って異なる軌跡を描く複数の先行ビットを有する複数
   の先行ビットユニットとして構成されていることを特徴
   とするシールド掘進機。
3. 【請求項３】 請求項１、２のいずれかにおいて、 前記カッタヘッドが１回転する間に、前記第１の先行ビ
   ット群と前記第２の先行ビット群の少なくとも一部が、
   同一軌跡を描くように前記カッタヘッドに配置されてい
   ることを特徴とするシールド掘進機。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかにおいて、 前記後行ビットは、前記カッタヘッドの回転方向が時計
   回りの場合に前記地山凸部を切削する第１の後行ビット
   群と、前記カッタヘッドの回転方向が反時計回りの場合
   に前記地山凸部を切削する第２の後行ビット群とから構
   成されることを特徴とするシールド掘進機。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかにおいて、 前記後行ビットの少なくとも一部は、前記地山凸部の複
   数を同時に切削可能な切削幅を有することを特徴とする
   シールド掘進機。
6. 【請求項６】 先行ビットを用いて掘削対象の地山に先
   行掘削溝を形成し、後行ビットを用いて前記先行掘削溝
   の間に掘り残された地山凸部を固形状態の掘削土砂とし
   て切り出し掘削し、当該掘削土砂を、所定の輸送路を介
   して固形状態を保持しつつ坑外へ搬出する掘削方法であ
   って、 前記先行ビットを掘進方向に進退可能に駆動制御するこ
   とを特徴とする掘削方法。
7. 【請求項７】 請求項６において、 前記先行ビットおよび前記後行ビットを有するカッタヘ
   ッドが１回転する間に、異なる先行ビットによって所定
   位置に形成される先行掘削溝を複数回にわたって切削す
   ることを特徴とする掘削方法。
8. 【請求項８】 請求項６、７のいずれかにおいて、 前記輸送路における輸送媒体としての液体に、前記掘削
   土砂が液体に溶解することを防止するための溶解防止剤
   を混入することを特徴とする掘削方法。